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发信人: bage (天下无不是的父母), 信区: Aero
标  题: 世纪之交的小卫星运载火箭
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月19日12:07:16 星期二), 站内信件

世纪之交的小卫星运载火箭
  　　国际上一般把质量1000公斤以下的卫星称作为小卫星,把发射它们的、起飞质量百
余吨以下的运载火箭称作为小卫星运载火箭。从1957年10月到1997年12月，全世界共进
行3844次成功的空间发射，入轨航天器总数为4881个。其中1054次（占27.4％）使用小
卫星运载火箭，它们送入轨道的小卫星约1440个（占29.5％）。这些数字表明，小卫星
运载火箭是空间运输系统中不可轻视的重要组成部分。但几十年来，小卫星运载火箭经
历了从兴旺、衰落到中兴的曲折过程。中国小卫星运载火箭的情况也不例外。在世纪之
交，中国的小卫星如何用自己的火箭发射？是否还要发展专门发射小卫星的运载火箭?本
文试图通过对小卫星运载火箭历史和现实情况的分析，论述这些问题。
　　一、世纪之交小卫星运载火箭再度兴旺
　　到1998年7月为止，世界上有8个国家具有空间发射能力。如果把起飞质量130吨作为
小卫星运载火箭的上限，那么这些国家使用过的小卫星运载火箭已经超过20种。它们是
：前苏联的宇宙1号、2号（总共发射500余次）；美国的雷神系列、早期的德尔它系列、
侦察兵系列（总共发射400余次）；中国的长征一号系列；日本的L、M、N、J系列；法国
的钻石系列；印度的卫星运载器系列；以色列的彗星；英国的黑箭；美国的先锋号、丘
诺系列以及近年来新投入使用的飞马座、金牛座、雅典娜系列和俄国的创始1号等。下图
是上述火箭1957～1996年历年成功发射的记录。从下图可以看出，经过空间时代初期的
发展，小卫星运载火箭在60到70年代进入鼎盛时期。1962～1978年，每年总发射成功数
量都在30次以上（1970、1971年达到最高值52和54次）。80年代开始，小卫星运载火箭
发射势头减弱。1986年以后降低到10～15次/年，以后更是降到10次/年以下。是什么原
因导致这种结果呢？
　　航天技术在50年代发生了质的飞跃。1957年10月4日第一颗人造地球卫星上天后，前
苏联、美国等在空间竞赛的强烈刺激下发展了一批小卫星运载火箭。经过试用和完善，
相继进入稳定的批量发射阶段。到70年代末的十几年里，它们以95％以上的成功率，发
射了各种类型轨道（近地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道、大椭圆轨道和日心轨道
）的卫星并多次以一箭多星方式完成卫星组网，为航天技术发展积累了丰富经验。它们
发射了几百颗科学卫星，精确测量了地球大小、形状和重力场，查明了地球、月球周围
的空间环境（高层大气密度和温度、地磁场、辐射带等）和通向月球的航道，为大型应
用卫星、宇宙飞船和登月飞行，提供了准确的环境参数及设计和运行经验。它们还发射
了大量应用卫星，试验并建造了早期军用、民用的气象、导航、通信、对地观测（侦察
、资源普查、核爆炸监测）等应用卫星系统，在军事、经济、政治上为人类社会进入空
间时代发挥了重要作用。
表1　世纪之交使用的主要小卫星运载火箭
    1980年，各国小卫星运载火箭年发射总量首次降到20次以下。美国曾在1964年创造
过小卫星运载火箭成功发射37次的记录，到了80年代却江河日下，1980、1982、1989年
的发射记录都是零。导致这种结果的客观原因是随着航天事业的发展,新的卫星质量远远
超出了小卫星运载火箭运载能力，只能用大、中型火箭发射。但更重要的还是主观原因
。1972年，美国政府决定发展可重复使用的航天飞机，认为此举足以取代各种一次性运
载火箭。80年代初，美国生产完最后18枚侦察兵G1火箭以后，将小卫星运火箭全部停产
。这种用可往返式运载器取代一次性运载和用大运载覆盖小运载的思潮，还不同程度地
影响欧、亚其它航天国家。欧空局停止了小卫星运载火箭欧洲号的研制，全部小卫星都
靠阿里安火箭搭载上天；中国小卫星运载火箭长征一号的改进工作进展也不大。
　　80年代出现了小卫星热。一大批用高新技术造出来的、质量只有几十、上百公斤的
小卫星拥入空间市场,但找不到合适的运载火箭。1986年美国挑战者号航天飞机爆炸时，
美国仅剩下14枚〖HTK〗侦察兵火箭，小卫星运载火箭库存告罄，一时间丧失了发射小卫
星能力。其它国家的情况也不妙。虽然阿里安火箭在1982～1989年间进行了30次商业飞
行〖KG-*8]，却因其载荷绝大多数是地球同步轨道卫星，轨道与众多小卫星的要求不匹
配（小卫星多数要求太阳同步轨道或大倾角轨道），所以只搭载发射了两颗小卫星。前
苏联虽然小卫星运载火箭发射潜力很大，但因为政治上的障碍很长时间进不了市场。事
实使航天界认识到，空间运输系统不能搞单打一 。它虽然属于高技术产品，其实应该和
其它运输工具（如汽车、轮船、飞机）一样，需要针对不同载荷的尺寸、质量及载运要
求，适当配置大、中、小的规格和品种。目前多数小卫星属于在大倾角轨道面上运行的
应用卫星和科学卫星。诚然，如果大、中型火箭发射时有搭载机会，当然首先考虑搭载
。但实际上这种机会极其有限。因此，适当发展经济、灵活的小型运载火箭，专门发射
小卫星就显得十分必要。
　　基于上述认识，近年来各国又重新发展小卫星运载火箭。经过近十年努力，已有十
几种小卫星运载火箭问世（见表1），小卫星运载火箭重又呈现出兴旺发达的局面。
二、世纪之交小卫星运载火箭发展的特点
　　不少与空间有关的组织预测，到2005年，将有数百颗质量小于1000公斤的小卫星需
要发射（其中90％以上的卫星质量小于600公斤）。如果表1中所列十几个小卫星运载火
箭都投入发射市场，每种火箭每年平均只能摊到1～3次机会。但这种机会均等的局面显
然不会出现。围绕“可靠、便宜、方便"，小卫星运载火箭之间将会发生优胜劣汰的激烈
竞争。纵观已经和正在进入市场的新一代小卫星运载火箭，不难发现它们的发展具有以
下特点：
　　1.充分利用退役导弹和成熟技术
　　根据限制战略武器条约，美国和前苏联许多远程、洲际导弹将退役、销毁。为尽可
能地利用它们，美、俄等不约而同地将它们改成小卫星运载火箭。这些导弹数量大，性
能稳定，发射成功率高，成本低，改成小卫星运载火箭后具有很强的竞争力。典型的例
子有：
　　（1）俄罗斯准备将150枚SS-18洲际导弹作为小卫星运载火箭使用。1999年4月，将
用SS-18发射英国萨瑞大学的SSTL-12小卫星（卫星重480公斤，轨道高650公里,轨道面倾
角65度），发射费用800万美元。
　　（2）1998年7月7日，俄罗斯海军从一艘核潜艇上用PCM-54洲际导弹进行了首次商业
发射，将一颗德国名为柏林技术大学卫星的通信和科学研究小卫星送入轨道。
　　（3）美国采用MX洲际导弹的第一级作为金牛座火箭第一级。
　表2　1970年4月至1998年8月中国发射的小卫星
　表3　中国未来几年潜在的小卫星发射需求
　2.努力降低发射费用（但目前成效尚微）
　　小卫星运载火箭是所谓麻雀虽小，五脏俱全的火箭。作为一般的规律，它们发射单
位载荷的费用高于大、中型火箭。例如，目前在小卫星发射市场中使用次数最多的美国
飞马座XL火箭，发射极轨道高度700公里卫星的能力不过200公斤，每次发射费用却在12
00万美元以上（平均6万美元/公斤）。在这方面，就是人们普遍认为价格低廉的俄罗斯
也不例外。如上面提到的SS-18洲际导弹，几乎是废物利用，发射SSTL-12也是1.67万美
元/公斤。显然，它们都超过目前大、中型火箭发射地球同步转移轨道载荷平均1万美元
/公斤的费用。当然，作为一种趋势和努力方向，各个小卫星运载火箭的拥有者都力求降
低成本以争取市场。1997年初，美国航宇局出资800万美元,征求廉价的小卫星运载火箭
方案，即矮脚鸡系统技术计划。其目标是在2001年研制出运载能力为150公斤、每次发射
费用150万美元的小火箭，以便取代费用过高的飞马座XL为各大学发射小卫星。但最近的
消息表明，四家雄心勃然投入研究的公司中无一能满足要求，美国宇航局官员不得不决
定放弃这项计划。
　　3.采取“强强联合”争夺市场
　　 表1所列小卫星运载火箭，经营方式多种多样。其中联营或跨国公司发展的几个型
号，如呼啸号、雅典娜、织女、彗星等特别值得注意。这些由强强联合搞出的小卫星运
载火箭，具有极强的商业活力。如欧洲呼啸国际发射服务公司（由俄赫鲁尼切夫国家航
天研究和生产中心与德国戴姆勒-奔驰公司联合组成）推出的呼啸号火箭，就是一个典型
的例证。俄罗斯有不少退役SS-19洲际导弹，但找不到发射对象，没有市场。德国人在西
欧拥有市场却没有马上可以使用的火箭。两家组成可利用60枚火箭发射能力的跨国公司
，迅速形成了抢占市场的强大力量。
　　现在有许多新研制的小卫星运载火箭发射成功并进入市场。1996年2月和1997年3月
日本J-1及M-5火箭相继升空。美国的飞马座、金牛座、雅典娜，俄罗斯的创始1号等火箭
，都已获得多个发射合同。可以说，新一代小卫星运载火箭已经复苏并趋向成熟。但也
要看到，不少新小卫星运载火箭急于求成，仓促上马，不按航天规律办事，结果欲速则
不达，多次发射都以失败告终。典型例子是美国空间服务公司的大篷车火箭。15年来，
它搞了四种型号都不成功。1995年10月用1620型火箭发射多个试验卫星，仅飞行45秒就
因为姿态失稳而自毁，损失达7500万美元。除此以外，洛马运载器1（后来命名为雅典娜
）、飞马座XL、创始1号首次发射都没有成功。认真吸取它们的教训，才能少走弯路，使
新的小卫星运载火箭良性发展。
　　三、世纪之交的中国小卫星运载火箭
　　1.历年来中国发射小卫星情况
　　如表2所示，中国自1970年4月24日至1998年8月20日，进行了12次与小卫星有关的发
射，总共把18颗重70～667公斤的小卫星（它们分属中国、美国、瑞典、巴基斯坦）和两
颗气球卫星送入太空。其中，搭载发射4次、一箭一星2次、一箭双星5次、一箭三星1次
。
　　2．世纪之交可能发射的小卫星
　　近年来，中国的小卫星陆续上马，不少国外小卫星客商也来华寻求发射服务。在未
来几年里，国内小卫星发射需求总数可望达到20颗。但是，除了几颗小卫星能安排搭载
发射以外，其余的就要靠别的火箭发射了。
　　市场调查显示，待发射的小卫星大体上可分为三类（见表3）。其中，B类卫星包括
著名科学家陈芳允先生等人提出的地球环境观测系统（即七颗星星座）。该系统要求一
次将7颗各重60～70公斤的小卫星射入倾角98度、高772.6公里的太阳同步轨道并在同一
个轨道面里均布，实现对世界任何一个区域一天两次（昼、夜各一）的重复观测。除上
述三类卫星以外，还有一些卫星要求特殊的轨道（例如中国科学院的双星规划，希望在
2001年发射两颗观测太阳活动的卫星。其中一颗轨道要求为：倾角90度，近地点350公里
，远地点20000公里）。
　　3．世纪之交的小卫星运载火箭
　　经过几十年的努力，中国已经拥有长征一号、二号、三号和四号共四个系列的运载
火箭，它们可以承担近地轨道、极轨道和太阳同步轨道、地球同步轨道各种卫星的发射
服务。对于表3所列的小卫星发射需求，比较合适的火箭是长征二号丙改、长征二号丁和
长征一号丁。
　　长二丙改和长二丁都属于中型火箭。长二丙改起飞质量212.3吨,发射高度800公里太
阳同步轨道卫星的能力为1000～1200公斤。长二丁起飞质量237吨，发射高度700公里太
阳同步轨道卫星的能力约700公斤。它们都有能力以一箭双星的形式发射A类小卫星（如
果轨道允许更低一些甚至可以一箭三星）。
　　但是，对于B类小卫星，特别像发射地球环境观测系统（即七颗星星座）这类总质量
不过500公斤的卫星群， 长二丙改和长二丁这两种火箭都显得太大。此外，也有的A类小
卫星，由于匹配不到轨道能兼容的双星、三星，需要单独发射。由于这些原因，使得发
展长一丁成为提高小卫星发射综合效益的一种优化选择。
　　1996年10月,中国航天局王礼恒副局长在国际宇航联47届大会上宣布:中国正在研制
新的长征一号丁火箭。长一丁系带有变轨分配器的三级火箭，第一、二级为液体火箭，
第三级为固体火箭。火箭直径2.25米，总长约32米,起飞质量85.7吨，主要用于发射低地
球轨道和太阳同步轨道卫星，也可以发射特殊的亚轨道载荷（如微重力试验载荷）。19
97年11月，长一丁首次飞行成功。作为长征一号的改进型号，长一丁的主要改进包括以
下三个方面：
表4　长征一号与长征一号丁运载能力比较
长征一号
运载能力
 能将300公斤卫星发射到
倾角70度、高400公里的圆轨道
长征一号丁运载
能力（太阳同步
轨道，轨道面倾
角为97～99度）
 轨道高度
（公里）
 400
 500
 600
 700
 800
 900
卫星质量
（公斤）
 640
 600
 565
 533
 500
 460
表5　长征一号丁发射高度782公里（太阳同步）
圆轨道卫星的入轨精度
项目
 半长轴偏差
（△a）
 偏心率
（△e）
 轨道面倾角偏差
（△i）
 升交点赤经偏差
（△Ω）
精度值
 782±8公里
 ≤0.0012
 98.52±0.1度
 Ω±0.1度
表6　长征一号丁提供的卫星初始姿态精度
姿态范围
 俯仰方向容许±180度，偏航方向容许±90度
姿态精度
 俯仰、偏航、滚动姿态角≤1.5度；姿态角速度：
俯仰、偏航≤1.0度/秒 ,滚动≤0.5度/秒
　　（1）大幅度提高运载能力
　　长征一号只能将300公斤卫星发射到400公里高的圆轨道。长一丁通过提高第一级和
第二级液体火箭发动机性能、更换第三级固体发动机和增加变轨分配器，运载能力比长
征一号提高了1倍以上（见表4）。
　　（2）大幅度提高卫星的入轨精度
　　长征一号仅第一级和第二级火箭采用全惯性控制，第三级火箭采用的是简单的自旋
稳定，固体发动机燃烧完以后，也没有速度和轨道修正手段。因此，无论是卫星的轨道
精度还是入轨的姿态精度，都是比较低的。长一丁火箭从起飞到卫星分离入轨，全程都
进行惯性制导控制并保持三轴姿态稳定，从而使卫星的入轨轨道精度和入轨时的姿态精
度大大提高（详见表5和6）。
　　（3）加大整流罩尺寸，配置变轨分配器，具备一箭多星能力
　　长征一号的整流罩直径1.5米，容纳有效载荷的空间容积仅1米3。长一丁将整流罩的
直径加大到2.05米，容纳有效载荷的空间容积加大到5.1米3 。这样，就可以同时安装多
个小卫星或单个尺寸更大的卫星。
　　长一丁的变轨分配器总重520公斤，采用构架式结构，总高0.84米。构架的下部是直
径2.05米、高0.18米的圆柱筒壳，上部是高0.66米的支架。支架上端面安装卫星。在变
轨分配器上，装有控制系统、辅助动力系统（肼系统）和飞行测量系统。它可以完成火
箭霍曼轨道转移、变轨及轨道精确修正任务，也负责保持火箭及卫星的三轴姿态稳定控
制。在一次发射多颗卫星时，变轨分配器还通过调整各个卫星的入轨速度，调整其轨道
参数使它们散开，进入用户要求的轨道。
　　 对于表3所列的小卫星，长一丁可采用如下方式发射：
　　1）一箭多星（发射B类卫星，4～8颗）；
　　2）发射1颗A类卫星（主星），剩余的能力搭载几颗B类卫星；
　　3）对于C类质量小于10公斤的微卫星，采用搭载形式发射。
　　从上面的论述、分析可以看出，由于世纪之交小卫星数量的增加，发射小卫星火箭
的需求也随之增加。在这个有利可图的领域里，各个拥有航天技术能力的国家或集团，
不约而同地投入了精力和资金，已经或正在配置新一代小卫星运载火箭以占领市场，群
雄争利的局面正在出现。就中国而言，只要抓好了长一丁等小卫星运载火箭，就可以满
足世纪之交中国小卫星的发射需求（包括深空发射需求），也可以为国外的小卫星提供
有竞争力的发射服务。

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           (    )   (    )     #    大肚能容,容天下难容之事    #  
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